原子薄石墨烯膜为基础的总有机碳分析仪

在过去的几十年里，原材料的过度消耗和环境污染成为全球关注的问题，有必要采取一种新的可持续增长模式，其目的是通过最小化能源消耗和废物产生来改善最终产品的制造步骤膜基技术很好地满足了可持续发展的需求，因为与其他传统的热相关分离方法(如蒸馏和蒸发)相比，膜装置可以降低能耗和污染，并具有取代它们的潜力。

目前，聚合物膜已广泛应用于工业规模，如反渗透、微/纳滤、超滤等。

此外，膜还可用于医疗和环境精密仪器，如膜氧合器、血液透析器和总有机碳(TOC)分析仪。Hou等人¹主要研究了稳定增强的原子薄双层石墨烯膜的制备(图1b)，并实现了石墨烯在一种基于膜的精密仪器(TOC分析仪)中的应用。

希望该研究能够为石墨烯在膜相关精密仪器行业的应用提供一个可参考的范例。

图1 研究工作的思路。(a)石墨烯适合用作分离膜的原因;(b)双层纳米多孔石墨烯膜的制备工艺;(c)单层和双层石墨烯缺陷示意图;(d)双层石墨烯/聚合物基底膜的结构表征;(e)单层石墨烯等离子体处理前的SEM图像;(f)等离子体处理前双层石墨烯膜的SEM图像。(f)中的插图显示了没有石墨烯层的PVDF衬底的SEM图像(比例尺为50 μm)。

图2 等离子体处理后石墨烯/PVDF膜的表征。

为了进一步确保等离子体可以同时穿透双层石墨烯，而不是只破坏第一层，采用Ar等离子体并找到合适的处理参数，以保证在双层石墨烯晶格中精确引入纳米孔。

拉曼表征(LabRAM HR演化光谱，堀场科学，日本;激光激发波长为633 nm时，双层石墨烯比单层石墨烯具有更强的鲁棒性。

对于原始石墨烯的典型拉曼光谱，可以观察到以~ 1580 cm⁻¹为中心的G带和以~ 2600 cm⁻¹为中心的2D带(图2a)。

在~ 1350 cm⁻¹处没有明显的缺陷对应的D带，表明石墨烯样品是晶格完整的在20 W−201 sccm的氩等离子体刻蚀条件下，当处理时间为10 s时，单层石墨烯的拉曼光谱在1350 cm⁻¹处呈现出明显的D波段。

当时间延长到30 ~ 35 s时，D波段的峰值强度与石墨烯在1580 cm⁻¹时的G波段相当，甚至更强，证明了石墨烯晶格中剧烈的结构变化和成功的纳米孔形成然而，同样的处理方案无法获得双层石墨烯的类似性能，在Ar等离子体蚀刻4min后，没有明显的D带，也没有明显的变化(图2b)。

将第一层石墨烯在PVDF聚合物基板上通过水浴相变法转移完成后，再借助热压气机通过热压法将第二层石墨烯随机堆叠在第一层上，形成双层石墨烯膜。

采用氩等离子体刻蚀技术制备的石墨烯膜具有密度为10¹¹ ~ 10¹² cm⁻²的纳米孔。实验结果表明，双层石墨烯膜具有良好的耐盐性和透气性。更重要的是，双层石墨烯膜具有更高的稳定性，特别是在基于膜的TOC分析仪中长期(超过30天)运行。

稳定性增强的双层石墨烯膜具有满足行业标准的巨大潜力。因此，该研究的工作不仅为增强二维原子薄材料的稳定性提供了一个解决方案，这一问题还没有得到充分的研究，而且还弥合了实验室规模的“概念验证”与石墨烯膜在膜相关仪器行业中的应用之间的差距。

1.&nbspHou, D.;  Zhang, S.;  Zhang, D.;  Yao, A.;  Sun, J.;  Song, R.;  Wu, N.;  Han, X.;  Chen, B.;  Yuan, A.;  Sun, L.; Wang, L., Atomically Thin Graphene for a Membrane-Based Total Organic Carbon Analyzer. ACS Appl. Nano Mater. 2022, 5 (2), 1976-1985.

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